CN101510571B - 使用iii-v半导体太阳能电池的聚光光伏打系统模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种太阳能电池模块(20)，其包括透镜(22a-22j)阵列、对应的辅助光学元件(210)及对应的太阳能电池接收器(12a-12j)。太阳能电池接收器(12)包含具有一个或一个以上III-V化合物半导体层的太阳能电池(30)、与所述太阳能电池(30)并联耦合的二极管(14)及用于耦合到其它太阳能电池接收器的连接器(40)。所述模块包含外壳(21)，所述外壳(21)支撑透镜(22a-22j)使得每一透镜将太阳能聚集到其相应的太阳能电池(30)上。

Description

使用III-V半导体太阳能电池的聚光光伏打系统模块
技术领域
本发明涉及一种用于使用III-V化合物半导体多结太阳能电池的聚光光伏打系统阵列中的模块或子组合件。
背景技术
过去，太阳能电力(在太空与地面两者中)主要由硅太阳能电池提供。然而，在过去几年中，对用于太空应用的高效III-V化合物半导体多结太阳能电池的大量制造已使得人们考虑能够将此替代技术用于地面电力产生。与硅相比，III-V化合物半导体多结电池通常更能抵抗辐射且具有更大的能量转换效率，但其制造起来往往花费较大。当前一些III-V化合物半导体多结电池具有超过27％的能量效率，而硅技术通常仅达到约17％的效率。在聚光条件下，当前一些III-V化合物半导体多结电池具有超过37％的能量效率。
一般来说，所述多结电池具有p上n极性且由InGaP/(In)GaAs/Ge半导体结构的竖直堆迭组成。III-V化合物半导体多结太阳能电池层通常可经由金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长在锗(Ge)衬底上。使用Ge衬底可准许在n型与p型Ge之间形成结，借此利用所述衬底来形成底部或低带隙子电池。所述太阳能电池结构通常生长在直径100毫米且平均质量密度约86毫克/平方厘米的Ge晶片上。在某些加工过程中，在MOCVD生长过程期间跨越容纳12或13个Ge衬底的底板的外延层均匀度优于99.5％。每一晶片通常产生两个大面积的太阳能电池。经加工以用于生产的电池面积通常介于从26.6到32.4平方厘米的范围内。外延晶片可随后通过以下步骤加工为成品太阳能电池装置：自动机器人光刻、金属化、化学清洗及蚀刻、抗反射(AR)涂布、切割成片以及测试过程。n与p触点金属化物通常主要由Ag组成，其具有薄Au顶盖层以保护Ag免受氧化。所述AR涂层是双层TiOx/Al2O3介电堆迭，其光谱反射率特性经设计以将盖片玻璃互连电池(CIC)或太阳能电池组合件(SCA)层级处的反射降到最低，以及使电池的寿命终止(EOL)性能达到最高。
在某些化合物半导体多结电池中，与GaAs电池不同，中间电池是InGaAs电池。对于InGaAs中间电池，铟浓度可在约1.5％的范围内。在某些实施方案中，这一布置呈现增加的效率。使用InGaAs层的优点是，此类层可基本完美地晶格匹配到Ge衬底。
发明内容
在本发明一方面中，太阳能电池模块包括一子组合件，所述子组合件包含具有多结III-V化合物半导体太阳能电池的太阳能电池接收器、辅助光学元件及用于将入射光聚集到所述太阳能电池上的透镜。
在本发明一方面中，用于将太阳能转换为电的太阳能电池模块包括：外壳，其包括第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；菲涅尔(Fresnel)透镜整体阵列，其耦合到所述外壳的所述第一侧，每一透镜均具有在约38.1厘米与约50.8厘米之间的焦距；多个太阳能电池接收器，其设置在所述外壳的第二侧上，每一太阳能电池接收器均包括：包括一个或一个以上III-V化合物半导体层的太阳能电池，其中所述太阳能电池具有约1厘米×约1厘米的尺寸；具有本体、阳极端子及阴极端子的二极管，所述二极管与所述太阳能电池并联耦合；第一及第二电端子，其与所述太阳能电池及所述二极管并联耦合且适于提供到一个或一个以上间隔开的太阳能电池接收器的电连接；设置在每一相应透镜的光路径中的多个辅助光学元件，每一辅助光学元件界定一具有多个反射壁的相应锥形光学通道；每一太阳能电池均设置在相应透镜及相应光学通道的光学路径中，其中所述透镜可操作以将太阳能以400或更多的聚光倍数聚集到所述相应太阳能电池上并产生超过14瓦的峰值功率。
在某些实施方案中，所述太阳能电池接收器包括：衬底，其用于支撑所述太阳能电池及二极管；其中所述二极管本体包括顶部部分及底部部分，所述底部部分比所述顶部部分更接近于衬底而设置；涂层，其设置在所述二极管本体的顶部部分上方并延伸到衬底，所述涂层大致囊封所述二极管本体、阳极端子及阴极端子；底涂层，其大致占据二极管本体底部部分与衬底之间的全部空间。
在某些实施方案中，底涂层经设置以使得所述二极管与所述衬底之间不存在气隙。
在某些实施方案中，菲涅尔(Fresnel)透镜的整体阵列是具有适于与外壳上的对准元件耦合的对准元件的丙烯酸纤维薄片。
在某些实施方案中，透镜的焦距约为45厘米。
在某些实施方案中，所述太阳能电池是包括至少三个区域的多结电池，其中所述区域分别包括含锗衬底、设置在所述衬底上的含InGaAs或GaAs的层及设置在所述含InGaAs或GaAs的层上的InGaP层。
在某些实施方案中，所述辅助光学元件是一种具有高度反射内表面的大体梯形固体。
在某些实施方案中，所述光学通道由光学入口及光学出口界定，所述光学入口大于所述光学出口。
在某些实施方案中，所述光学出口的大小经设定以具有大约与所述太阳能电池相同的尺寸。
在本发明一方面中，用于将太阳能转换为电的太阳能电池模块包括：外壳，其包括第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；对准框架，其耦合到所述外壳的所述第一侧，所述对准框架包括与对准元件耦合的多个插座；设置在所述对准框架上的含14个菲涅尔(Fresnel)透镜的整体阵列，每一透镜均具有约38.1厘米与约50.8厘米之间的焦距，所述阵列包括第一方向上的7个透镜及垂直于所述第一方向的第二方向上的两个透镜；多个对准元件，其将所述含14个菲涅尔(Fresnel)透镜的整体阵列耦合到对准框架的插座；含14个太阳能电池接收器的阵列，其设置在所述外壳的第二侧上，所述太阳能电池接收器阵列包括第一方向上的7个太阳能电池接收器及与所述第一方向垂直的第二方向上的两个太阳能电池接收器，其中每一太阳能电池接收器包括：包括一个或一个以上III-V化合物半导体层的太阳能电池，其中所述太阳能电池具有约1厘米×约1厘米的尺寸；具有本体、阳极端子及阴极端子的二极管，所述二极管与所述太阳能电池并联耦合；第一及第二电端子，其与所述太阳能电池及所述二极管并联耦合且适于提供到一个或一个以上间隔开的太阳能电池接收器的电连接；其中所述多个对准元件对准所述含14个菲涅尔(Fresnel)透镜的整体阵列以使得每一太阳能电池设置在一相应透镜的光学路径中，其中所述透镜可操作以将太阳能以520或更多的因子聚集到所述相应太阳能电池上并产生超过14瓦的峰值功率。
在某些实施方案中，所述太阳能电池模块包括含14个辅助光学元件的阵列，每一辅助光学元件均设置在一相应透镜的光学路径中，其中每一辅助光学元件界定一具有多个反射壁的相应锥形光学通道。
在某些实施方案中，太阳能电池设置在相应透镜的光学路径及相应光学通道中。
在某些实施方案中，太阳能电池接收器包括：衬底，其用于支撑所述太阳能电池及二极管；其中所述二极管本体包括顶部部分及底部部分，所述底部部分比所述顶部部分更接近于衬底而设置；涂层，其设置在所述二极管本体的顶部部分上方并延伸到衬底，所述涂层大致囊封所述二极管本体、阳极端子及阴极端子；底涂层，其大致占据二极管本体底部部分与衬底之间的全部空间。在一些实施方案中，底涂层经设置以使得所述二极管与所述衬底之间不存在气隙。
在某些实施方案中，辅助光学元件是具有高度反射内表面的大体梯形固体。
在某些实施方案中，光学通道由光学入口与光学出口界定，所述光学入口大于所述光学出口。
在某些实施方案中，所述光学出口的大小经设定以具有大约与所述太阳能电池相同的尺寸。
附图说明
图1是包含用于从太阳能产生电的设备的太阳能面板的实施方案的透视图。
图2A是太阳能电池模块的实施方案的透视图。
图2B是辅助光学元件的实施方案的透视图。
图3是图4的太阳能电池接收器的电路图。
图4是形成图2A的太阳能电池模块的一部分的太阳能电池接收器的实施方案的透视图。
图5是沿图4的A-A线截取的剖视图。
图6是太阳能电池接收器的实施方案的底部的视图。
图7A、7B及7C描绘太阳能电池的替代实施方案。
图8描绘太阳能电池接收器的替代方案。
具体实施方式
下文是对具有绝缘旁通二极管的太阳能电池接收器的优选实施方案以及一些替代实施方案的说明。
I.概述
太阳能电池接收器将太阳能转换成电。在本文所描述的各种实施方案中，采用了三结III-V化合物半导体太阳能电池，但可视应用而定使用其它类型的太阳能电池。太阳能电池接收器通常含有额外组件，例如，用于耦合到输出装置或其它太阳能电池接收器的连接器。
对于某些应用，太阳能电池接收器可实施为太阳能电池模块的一部分。太阳能电池模块可包含太阳能电池接收器及耦合到所述太阳能电池的透镜。所述透镜用于将所接收的光会聚到太阳能电池上。由于透镜的作用，太阳能电池可接收到对太阳能的更大聚集。在某些实施方案中，所述透镜适于以400或更多的聚光倍数聚集太阳能。例如，在500个太阳聚光下，1平方厘米的太阳能电池面积产生与在没有聚光的情况下500平方厘米的太阳能电池面积将产生的相同量的电力。因此，对聚光的使用可允许用诸如透镜及反射镜等高成本效益材料来代替较为昂贵的半导体电池材料。
可将两个或两个以上太阳能电池模块一起组合到一个阵列中。这些阵列有时称为“面板”或“太阳能面板”。
II.太阳能面板的实施方案
图1描绘用于从太阳能产生电的太阳能面板10的一个实施方案。面板10包含多个太阳能电池模块20。在此图解说明中，显示了24个太阳能电池模块20。每一模块20可包括一个或一个以上太阳能电池接收器(例如，图2A的物件12a)及用于将日光聚集到太阳能电池接收器的太阳能电池上的对应透镜(例如，图2A的物件204a)。多个面板10在被提供时通常串联连接，但其它实施方案可将所述面板并联或串并联连接。
III.太阳能电池模块的实施方案
图2A图解说明包括透镜22a-22j阵列(其中四个未显示)及对应太阳能电池接收器12a-12j(每一者均采取图4中物件12的形式)的太阳能电池模块20的实施方案。在某些实施方案中，太阳能电池模块包括14个透镜及14个对应太阳能电池接收器。在所图解说明的实施方案中，所述阵列为″7×2″阵列。
透镜22a-22j形成于光学材料(例如，丙烯酸)制成的连续薄片201上。在某些实施方案中，薄片201中不形成到透镜22a-22j中的区域制作成部分不透明或完全不透明的。通过在连续薄片201外形成透镜22a-22j，可大大地降低成本。首先，通过在大薄片上产生镜片，生产成本可降低。其次，由于仅需使一个物件(即透镜的薄片201)与太阳能电池接收器对准，因而组合件成本降低。在此实施方案中，薄片201由外壳21支撑在其外围边缘上且位于具有多个框架对准元件(例如孔)205a的对准框206顶上。孔205a可带有螺纹或以其它方式来适于接纳紧固件。薄片201包括可与框架对准元件205a对准及耦合的薄片对准元件205b(例如，销、螺钉或其它部件)。框架对准元件205a及薄片对准元件205b以如下方式定位：通过将薄片对准元件205b与框架对准元件205a对准，每一太阳能电池接收器12a-12j均与其相应透镜22a-22j对准。在某些实施方案中，表面202包括可确保每一太阳能电池接收器12a-12j均定位于一预定位置的对准特征。这些特征可与太阳能电池接收器的衬底(例如，物件9)耦合。
对准元件205b(例如销)大体定位于四个透镜所界定的中心点处。例如，对准元件205b定位于透镜22f、22g、22h及22i所界定的中心点处。另一对准元件205定位于透镜22e、22f、22i及22j所界定的中心点处。将对准元件205b定位于四个透镜所界定的中心点处的此图案可沿整个薄片201延续。
在某些实施方案中，每一透镜22a-22j均为菲涅尔(Fresnel)透镜。对应的太阳能电池接收器12a-12j定位于表面202上外壳21的相对端处。每一太阳能电池接收器12a-12j均包含设置在对应透镜22a-22j的光学路径中的对应太阳能电池30(参见图4)，即，使得对应太阳能电池30接收穿过对应透镜22a-22j的光。在某些实施方案中，采用额外的透镜及/或反射镜以将太阳能电池放置在透镜的光学路径中。例如，显示对应于太阳能电池接收器12b及透镜22b的辅助光学元件210b。辅助光学元件210b聚集来自透镜22b的光并将其会聚到太阳能电池接收器12b的太阳能电池中。在某些实施方案中，每一太阳能电池接收器12a-12j均配备有对应的辅助光学元件。结合图2B更详细论述辅助光学元件。
虽然某些菲涅尔(Fresnel)透镜可比某些凸透镜聚集更多的日光，但各实施方案可使用可聚集入射日光的任何类型的透镜22a-22j。透镜22a-22j还可包括多层抗反射涂层204a-204j(例如，类似于涂施在太阳能电池30上的涂层的涂层)。
包括透镜22a-22j的薄片201与对应的太阳能电池接收器12a-12j的太阳能电池之间的距离203是可选择的，例如可基于透镜22a-22j的焦距来选择。在某些实施方案中，模块外壳21经布置以使得每一相应太阳能电池接收器12a-12j的太阳能电池均设置在相应透镜22a-22j的焦点处或附近。在某些实施方案中，每一透镜22a-22j的焦距均在约25.4厘米与76.2厘米之间。在某些实施方案中，每一透镜22a-22j的焦距均在约38.1厘米与50.8厘米之间。在某些实施方案中，每一透镜22a-22j的焦距均为约40.085厘米。在某些实施方案中，每一透镜22a-22j的焦距是不同的，且所述外壳提供薄片201与表面202之间的多个不同距离(例如，大于及/或小于尺寸203的距离)。
透镜22a-22j的某些实施方案将入射日光聚集到正常聚光水平的400倍(即，400个太阳聚光)或以上。在某些实施方案中，透镜22a-22j中的一者或一者以上将日光聚集到约520倍的正常聚光水平。在某些实施方案中，透镜22a-22j中的一者或一者以上将日光聚集到约470倍的正常聚光水平。一般来说，太阳能转换为电的转换效率在聚光照射下可增大。例如，在约500个太阳聚光下，单个太阳能电池模块可产生10瓦或更多的电力。在另一实例中，在约470个或更多个太阳聚光下，单个太阳能电池模块可产生14瓦或更多的电力。一模块可产生的电力的量可不同，这取决于(例如)太阳能电池特性(例如，大小、组成)与相关联光学装置的性质(例如，聚光、会聚、对准)的组合。
在某些实施方案中，每一相应太阳能电池接收器12a-12j的太阳能电池30均为三结III-V太阳能电池，其中所述三个子电池中的每一者串联布置。在采用多个太阳能电池模块20的应用中，太阳能电池模块20的接收器12a-12j通常是串联地电连接在一起。在而，其它应用可利用并联或串并联连接。例如，既定模块20内的接收器12a-12j可串联地电连接在一起，而模块20则并联地相互连接。
太阳能电池模块的某些实施方案包含辅助光学元件("SOE")。图2B中图解说明SOE的实施方案。SOE 210设置在太阳能电池模块20的外壳21内部，且通常经设计以收集相关联透镜(例如，图2A中的22b)所聚集的太阳能。在某些实施方案中，每一接收器12a-12j均具有相应的SOE。
SOE 210包括具有光学入口219及光学出口220的光学元件217、本体216及安装连接小片218。SOE 210经安装以使得光学元件217设置在太阳能电池接收器12(例如，图2A中的12b)的太阳能电池30上方。虽然可视实施方案而不同，但SOE 21O经安装以使得光学出口距太阳能电池30约0.5毫米(例如，尺寸215约为0.5毫米)。在某些实施方案中，安装翼片218耦合到太阳能电池模块20的面202。SOE 210(其中包含本体216)可由金属、塑料或玻璃或其它材料制成。
在某些实施方案中，光学元件217具有从入口219到出口220逐渐变细的方形剖面。光学元件的内表面211朝向出口220向下反射光。在某些实施方案中，内表面211涂布有银或其它材料以获得高反射率。在某些情形下，反射涂层由诸如SiO2的钝化涂层保护以防止氧化、生锈或腐蚀。从光学入口219到光学出口220的路径形成可从主透镜捕获太阳能并将其引向太阳能电池的锥形光学通道。如此实施方案中所显示，SOE 210包括具有四个反射壁的光学元件217。在其它实施方案中，可采用不同的形状(例如，采用三个侧面以形成三角形的剖面)。
在某些情形下，主透镜(例如，图2A中的22b)不将光会聚在具有太阳能电池30的尺寸的光斑上，或太阳能跟踪系统可不会恰好指向太阳。在这些情况下，某些光不会达到太阳能电池30。反射表面211将光引导到太阳能电池30。光学元件217还可使光均匀(例如混合)。在某些情形下，其还具有一些聚光效应。
在某些实施方案中，光学入口219为方形形状且约为49.60毫米×49.60毫米(尺寸213)，且光学出口为方形形状且约为9.9毫米×9.9毫米(尺寸214)，且光学元件的高度约为70.104毫米(尺寸214)。尺寸214、213及214可视太阳能电池模块及接收器的设计而不同。例如，在某些实施方案中，光出口的尺寸大约与太阳能电池的尺寸相同。对于具有这些尺寸的SOE来说，半倾斜角为15.8度。
IV.太阳能电池接收器的实施方案
图3图解说明太阳能电池模块20的太阳能电池接收器(例如，图2A中的12a)的电路图。所述接收器包含三结III-V化合物半导体太阳能电池30，所述三结III-V化合物半导体太阳能电池包括串联布置的顶部电池30a、中间电池30b及底部电池30c。当在太阳能电池模块中实施时，太阳能电池30经定位以接收来自透镜(参见图2A及2B)的经会聚太阳能。
二极管14与三结太阳能电池30并联连接。在某些实施方案中，二极管14是一种诸如肖特基(Schottky)旁通二极管或外延生长p-n结的半导体装置。出于图解说明的目的，二极管14是肖特基(Schottky)旁通二极管。提供外部连接端子43和44，以用于将太阳能电池30及二极管14连接到其它装置，例如相邻太阳能电池接收器。在某些实施方案中，太阳能电池30、二极管14及端子43及44安装在由绝缘性材料制成的板或衬底(例如，参见图4的物件9)上。
通过考虑串联连接的多个太阳能电池接收器12可了解二极管14的功能。可将三结太阳能电池30中的每一者设想为电池，其中二极管14中的每一者的阴极均连接到相关联「电池」的正端子，且所述二极管中的每一者的阳极均连接到相关联「电池」的负端子。当串联连接的太阳能电池30中的一者受到损坏或遮蔽时，其电压输出下降或消失(例如，到与二极管14相关联的阈值电压以下)。因此，相关联的二极管14受到正偏压，且旁通电流仅流过所述二极管14(而不流过太阳能电池30)。以此方式，未受损或未受遮蔽的太阳能电池继续从所述太阳能电池所接收的太阳能产生电。如果不是因为有二极管14，则其它太阳能电池接收器12产生的大致所有电都将通过受遮蔽或受损的太阳能电池30，从而将其毁坏，并在(例如)所述面板或阵列内形成开路。
图4、5及6图解说明在图2A中实施为物件12a-12j的接收器12中的一者。出于此实施目的，假定既定阵列或面板中的所有其它接收器均大致相同。
图4图解说明一个太阳能电池30及其相关联二极管14。太阳能电池30电连接到二极管14。太阳能电池30的上表面包括在此实施方案中占据太阳能电池30的周界的接触区301。在某些实施方案中，接触区301可较小或较大以适应所期望的连接类型。例如，接触区301可仅接触太阳能电池30的一个、两个或三个侧面(或其若干部分)。在某些实施方案中，接触区301制作地尽可能小以使将太阳能转化为电的面积最大化且同时仍允许电连接。虽然太阳能电池30的特定尺寸将视应用而不同，但标准的尺寸为约1厘米的正方形。例如，一组标准尺寸可为总共约12.58毫米×12.58毫米、约0.160毫米厚且总有效面积约为108平方毫米。例如，在约12.58毫米×12.58毫米的太阳能电池30中，接触区301约为0.98毫米宽且开口区约为10毫米×10毫米。接触区301可由各种导电性材料(例如，铜、银及/或涂布有金的银)形成。在此实施方案中，太阳能电池30的n导电性侧接收光，且因此接触区301设置在太阳能电池30的n导电性侧上。
可在太阳能电池30上设置抗反射涂层305。抗反射涂层305可以是提供特定波长范围内(例如，0.3到1.8微米)的低反射比的多层抗反射涂层。抗反射涂层的一个实例是双层TiOx/Al2O3介电堆迭。
触点301耦合到设置在板9上的导体迹线302。在此实施方案中，触点301通过多个(在此实例中为12个)线接合304耦合到导体迹线302。特定实施方案中所利用的线接合304的数目可尤其与太阳能电池30所产生的电流量有关。
导体迹线302(且因此，太阳能电池30)通过导体迹线302与导体迹线45之间的电连接耦合到二极管14的端子11。
二极管14的另一端子13耦合到迹线46。为完成太阳能电池30与二极管14之间的并联连接，将端子13耦合到太阳能电池30的下侧。结合图5及6对此进行更详细论述。
通过迹线45及46将二极管14分别电耦合到连接器端子43及44。连接器端子43及44分别电耦合到安装在连接器40的开孔42及41中的插孔343及344。由于插孔343及344被连接器40的本体隐藏而无法看见，所以将其以虚线显示。所述插孔包括导电材料且提供装置到电路的电耦合。在某些实施方案中，所述插孔对应于阳极与阴极端子，且经设计以接纳插头341与342以连接到相邻接收器312，例如，如上文参照图3所描述。相邻接收器312可采用与接收器12大致相同的形式。在某些实施方案中，连接器40牢固地附接到板9且可由绝缘材料(例如塑料)构造而成。
界定绝缘开孔41与42的相对较大连接器40有助于防止由于端子处的放电引导到相邻接收器而导致的太阳能电池击穿，因为所述绝缘开孔为容纳于其中的插头/插孔电连接中的每一者提供极好的绝缘。
如图5所示，二极管14在板9上方安装在端子11与13上。视应用而定，二极管12可以是表面安装类型。端子11与13分别耦合到二极管14的阳极与阴极，且因此可称为二极管14的阳极端子与阴极端子。二极管14的除端子11与13之外的部分可称为二极管本体(即，阴影区域504)。
在此实施方案中，二极管端子11电耦合到连接器501，连接器501穿过板9以将二极管耦合到太阳能电池30的底部表面。在某些实施方案中，连接器501可采取附接到二极管14的销的形式，且使用通孔技术来安装。连接器501可视太阳能电池30安装在板9上的方式而不同。例如，如果板9经构造以暴露太阳能电池的底部(例如，p导电性侧)，则连接器501可穿透板9的整个厚度。在某些实施方案中，太阳能电池30的底部可位于板9一表面顶上。在此类实施方案中，连接器501可耦合到板9的一个层(例如，位于板9顶部表面505下方的层)。
可由任何合适的介电底部填充材料15来占据二极管14的底部部分503(例如面向板9的表面)与板9之间的间隙，以使得所述二极管与所述板之间不存在气隙。在某些实施方案中，触点11与13之间不存在气隙且底部填充15占据二极管14的底部部分503与板9之间的大致全部空间。在这种情况下，底部填充15与二极管14的底部部分503及板9接触。底部填充15还可接触二极管14的其它区。合适的底部填充材料的实例包含聚硅氧。类似地，合适的介电圆顶封装(或保形涂层)材料16沉积在二极管14上方以囊封二极管。涂层16设置在二极管14的顶部表面502(例如，面向板9远离的表面)上方并向下延伸直到其到达板9。由此涂层16可囊封二极管本体504以及触点11及13。涂层16接触二极管14的顶部表面502以及触点11及13。涂层16还可接触二极管14的其它区。合适的圆顶封装或保形涂层材料包含由汉高公司(Henkel Corporation)以品牌Loctite
Figure G2009100098140D00091
所售的保形涂层材料。由于介电材料15及16的介电强度比空气的介电强度高得多，所以大致消除了介电介质击穿的风险。底部填充及圆顶封装介电材料15及16防止不受控制的放电，且因此保护了系统的太阳能电池30。
图6描绘接收器12的底侧。太阳能电池30的下侧601是导电(例如金属)表面。下侧601耦合到导电性迹线602。导电性迹线602耦合到连接器501，连接器501耦合到二极管14的端子11(物件11及14以虚线显示，因为其在此视图中是隐藏的)。导电性迹线602可相对较宽以载送由太阳能电池30产生的电流。
视实施方案而定，太阳能电池30的下侧601可搁放在板9的表面(例如底部表面506上方的一个层)上。在其它实施方案中，板9中可存在切口以暴露太阳能电池30的下侧601。导电性迹线602的位置可视太阳能电池30安装的方式而不同。例如，如果板9中存在切口，则导电性迹线602可位于板9的底部表面506上。如果太阳能电池30搁放在板的底部表面506上方的层上，则导电性迹线602可不位于板的底部表面上(例如，其可设置在板9的顶部506与底部506表面之间的层上)。在此类实施方案中，所述太阳能电池的下侧601及导电性迹线602在此透视图中可为隐藏的。
V.太阳能电池的第二实施方案
图7A、7B及7C描绘可用于(例如)诸如图2A的物件12a-12j或图4的物件12的太阳能电池接收器中的太阳能电池730的第二实施方案。太阳能电池730是一种具有p上n极性并由Ge衬底上的InGaP/(In)GaAs III-V化合物组成的多结电池。太阳能电池730还包含一抗反射涂层，其光谱反射率特性经设计以将盖片玻璃互连电池(CIC)或太阳能电池组合件(SCA)层级处的反射降到最低，以及使电池的寿命终止(EOL)性能达到最高。图7A及7B是从n极侧透视的视图。
此太阳能电池730与图4的太阳能电池30之间的一个不同点是电池730利用两个端子703与704(“总线”)而非电池30的周界触点301。端子703及704由经钝化框架705(区域701的近视图图7B中可见)环绕。触点703及704所占据的区域不是有效区702(例如，能够将太阳能转换成电的区域)的一部分。此实施方案的一个优点是大百分比的总表面积为有效区702，因为触点703及704仅占据电池730的两个侧。
电池730的总尺寸约为11.18毫米(尺寸710)×10.075毫米(尺寸714)。电池730约为0.185毫米厚(尺寸718)。有效区702约为10毫米(尺寸712)×10.075毫米(尺寸714)。
端子703及704约为9.905毫米宽(尺寸715)×0.505毫米高(尺寸717)，且距离电池730的边缘约0.085毫米(尺寸713及719)定位。因此，从端子703的外边缘到端子704的外边缘的距离约为11.01毫米(尺寸711)。端子703及704周围的经钝化框架705约为0.01毫米厚(尺寸720)。考虑到加工中的变化(例如锯齿卷曲)，一些实施方案在大致没有特征的整个电池730周围采用薄边界(例如，0.035毫米，尺寸716)。
电池730的底部(即，p极性侧)大致类似于图6中所图解说明的电池30的底部。
VI.太阳能电池接收器的替代方案
图8图解说明包括太阳能电池830及其相关联二极管814的太阳能电池接收器812的替代实施方案。太阳能电池接收器812可以与图4的接收器12大致相同的方式用于多种应用中。太阳能电池830电连接到二极管814。太阳能电池830的上表面包括在此实施方案中占据太阳能电池830的两个边缘的接触区801。在某些实施方案中，接触区801制作得尽可能小以使得将太阳能转换为电的面积最大化且同时仍允许电连接。虽然太阳能电池830的特定尺寸将视应用而不同，但标准尺寸为约1厘米的正方形。例如，一组标准尺寸可为总共约12.58毫米×12.58毫米、约0.160毫米厚且总有效面积约为108平方毫米。例如，在约12.58毫米×12.58毫米的太阳能电池830中，接触区801约为0.98毫米宽且开口区约为10毫米×10毫米。接触区801可由各种导电性材料形成。在此实施方案中，太阳能电池830的n导电性侧接收光，且因此将接触区801设置在太阳能电池830的n导电性侧上。
可在n导电性侧(或接收太阳能的任一侧)上设置抗反射涂层。
触点801耦合到设置在板809上的导体迹线802。在此实施方案中，触点801通过多个线接合804耦合到导体迹线802。
导体迹线802(且因此，太阳能电池830)通过导体迹线802与导体迹线845之间的电连接的方式耦合到二极管814的端子811。
二极管814的另一端子813耦合到迹线846。为完成太阳能电池830与二极管814之间的并联连接，将端子813耦合到太阳能电池830的下侧。结合图5及6论述对此类型的连接的实例。
二极管814通过迹线845及846分别电耦合到插孔843及844。插孔843及844通过连接器840彼此电绝缘。连接器840为每一插孔包含多个开孔。所述开孔彼此电绝缘。由于插孔843及844被连接器40的本体隐藏而无法看见，所以将其以虚线显示。所述插孔包括导电材料且提供装置到电路的电耦合。在某些实施方案中，所述插孔对应于阳极与阴极端子，且经设计以接纳插座插头(例如，图4中的341及342)以连接到相邻接收器，例如，如参照图3所描述。在某些实施方案中，连接器840牢固地附接到板809且可由绝缘材料(例如塑料)构造而成。
相对较大的连接器840有助于防止由于端子处的放电引导到相邻接收器而导致的太阳能电池击穿，因为所述绝缘开孔为容纳在其中的插口/插座电连接中的每一者提供极好的绝缘。
二极管814涂布有圆顶封装介电涂层816。同样，介电底部填充位于端子811与813之间的二极管814下方。这些材料的使用已结合图5(例如，物件15及16)加以论述。
VII.其它结果
除了解决不受控制的放电问题以外，使用底部填充及/或圆顶封装(例如，保形涂层)可产生额外的意想不到的优点。
使用底部填充及/或圆顶封装可显着提高接收器管理热耗散的能力。底部填充及圆顶封装介电材料(例如，15及16)的导热性高于空气的导热性。因此，其通过增大热路径的截面来提高从系统的组件到周围环境大气的热耗散。此外，由于在某些实施方案中，底部填充及圆顶封装介电材料(例如15及16)与板或衬底接触，因此其促进从所述二极管到所述板之间的热转移。例如，底部填充15及圆顶封装16可大致提高二极管14的热耗散。如上文所描述，当绕过太阳能电池30时，二极管14可载送几千瓦(例如，10,000)的电力。由于二极管不是效率极佳的导电体，因此所述功率中的一些功率作为热能而耗散。过多的热能可毁坏二极管并且至少会降低其使用寿命。因此，采用底部填充及/或圆顶封装的接收器更有可能具有增加的使用寿命，尤其是在功率电平增加时。此外，与用于提高热管理的许多其它方法(例如，使用金属散热片的被动式冷却，或主动式冷却)相比，底部填充及/或圆顶封装是一种更具成本效益、高效且更容易的解决方案。此外，所述其它方法不能解决不受控制的放电的问题。
底部填充及/或圆顶封装材料还可防止由污染物造成的短路。在某些实施方案中，导体迹线(例如物件45及46)分离不大于约1毫米。当迹线彼此相距如此程度时，诸如小水滴等许多污染物即显得足够大以与两个相邻导体迹线接触。此外，因为二极管14本身相对较小，所以一个或一个以上小水滴有可能会桥接端子11与13。由于太阳能接收器(例如，12)通常用于户外，因而其暴露于来自(例如)冷凝及/或雨水的湿气。使用底部填充及/或圆顶封装可防止湿气冷凝在二极管14的端子上或冷凝在导体迹线45及46上，借此降低短路的可能性。
底部填充及/或介电圆顶封装(或保形涂层)材料15及16还可防止外来材料落在二极管14的端子上、导体迹线45及46上以及板9上的任何电迹线上，借此进一步降低操作期间短路的可能性。
另一个意想不到的优点是，底部填充及/或圆顶封装介电材料(例如15及16)可增加二极管14与其所附接到的板之间的界面的机械完整性。因此，在运输、安装及搬运期间，二极管14脱开(或以另外的方式电去耦)的机率降低。
VIII.典型的性能数据
太阳能电池接收器(例如物件12)在不同的太阳聚光度下的测试实施方案中得到以下数据：以470个太阳聚光及1150个太阳聚光进行测试包括将太阳能电池接收器12用作太阳能电池模块组合件(例如物件20)的一部分。
1个太阳聚光 470个太阳聚光 1150个太阳聚光
效率 31.23％ 36.23％ 33.07％
Voc(开路电压) 2.583伏特 3.051伏特 3.078伏特
Jsc(短路电流) 13.9毫安/平方厘米 6.49安培/平方厘米 15.92安培/平方厘米
Vmp(最大功率点下的电压) 2.32伏特 2.704伏特 2.523伏特
Jmp(最大功率点下的电流) 13.46毫安/平方厘米 6.27安培/平方厘米 15.04安培/平方厘米
Pmp(最大功率点) 31.23毫瓦/平方厘米 17.03瓦/平方厘米 38.03瓦/平方厘米
如文中指示，所述测试揭示，效率在470个太阳聚光下达到最高。虽然1150个太阳聚光可产生较大总输出，但较强的聚光会将太阳能电池暴露给较大量的热，从而可损坏或大大缩短太阳能电池的寿命。
很明显，可对上文所描述的设备作出修改。特定地说，所述介电材料不仅可应用到二极管，而且还可应用到面板上的所有端子、引线以及导体迹线。此外，可将太阳能电模块外壳制作成可调节式，从而(例如)：(1)容纳具有不同焦距的透镜，或(2)通过远离焦点或朝向焦点移动太阳能电池来增大或减小聚光(即，太阳聚光)。此外，可对多个透镜进行排列以(例如)将入射光准确地会聚到太阳能电池上。
本文已描述若干实施方案。然而，应了解，可对本发明作出各种修改，其并不背离本发明精神及范围。因此，其它实施方案也在权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种用于将太阳能转换为电的太阳能电池模块，其包括：
外壳，其包括第一侧及与所述第一侧相对的第二侧；
对准框架，其耦合到所述外壳的所述第一侧，所述对准框架包括与对准元件耦合的多个插座；
设置在所述对准框架上的含14个菲涅尔透镜的整体阵列，其通过所述对准框架耦合到所述外壳的所述第一侧，每一透镜的焦距在38.1厘米与50.8厘米之间，所述阵列在第一方向上具有7个透镜并在垂直于所述第一方向的第二方向上具有两个透镜；
多个对准元件，其将所述含14个菲涅尔透镜的整体阵列耦合到对准框架的插座；
含14个太阳能电池接收器的阵列，其设置在所述外壳的所述第二侧上，所述太阳能电池接收器阵列在第一方向上具有7个太阳能电池接收器并在与所述第一方向垂直的第二方向上具有两个太阳能电池接收器，每一太阳能电池接收器包括：
太阳能电池，其包括一个或一个以上III-V化合物半导体层，其中所述太阳能电池具有1厘米×1厘米的尺寸；
二极管，其具有本体、阳极端子及阴极端子，所述二极管与所述太阳能电池并联耦合；
衬底，其用于支撑所述太阳能电池及二极管，其中所述二极管本体包括顶部部分及底部部分，所述底部部分比所述顶部部分更接近于所述衬底而设置；
涂层，其设置在所述二极管本体的所述顶部部分上方且延伸到所述衬底，所述涂层囊封所述二极管本体、阳极端子及阴极端子；
底涂层，其占据所述二极管本体的所述底部部分与所述衬底之间的全部空间，其中所述涂层和所述底涂层的材料为介电材料；及
第一及第二电端子，其与所述太阳能电池及所述二极管并联耦合，且适于提供到一个或一个以上间隔开的太阳能电池接收器的电连接；以及
多个辅助光学元件，其设置在每一相应透镜的光学路径中，每一辅助光学元件界定具有多个反射壁的相应锥形光学通道；
其中所述多个对准元件对准所述含14个菲涅尔透镜的整体阵列以使得每一太阳能电池设置在一相应透镜的光学路径中，其中所述透镜可操作以将太阳能以400或更多的因子聚集到相应太阳能电池上并产生超过14瓦的峰值功率。
2.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述底涂层经设置使得所述二极管与所述衬底之间不存在气隙。
3.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述含14个菲涅尔透镜的整体阵列是丙烯酸薄片，所述丙烯酸薄片具有对准元件，所述丙烯酸薄片的对准元件适于与所述外壳上的对准元件耦合。
4.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述透镜的所述焦距为45厘米。
5.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述太阳能电池为包括至少三个区域的多结电池，其中所述区域分别包括含锗衬底、设置在所述衬底上的含InGaAs或GaAs的层及设置在所述含InGaAs或GaAs的层上的InGaP层。
6.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述辅助光学元件为内表面涂布有银的大体梯形固体。
7.如权利要求1所述的太阳能电池模块，其中所述光学通道由光学入口及光学出口界定，所述光学入口大于所述光学出口。
8.如权利要求7所述的太阳能电池模块，其中所述光学出口的大小经设定以具有与所述太阳能电池相同的尺寸。
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